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Posté par Adrien le Mardi 01/12/2015 à 00:00
Un nouveau prototype de batterie plein de promesses
Après deux ans de recherche, une équipe française, impliquant principalement des chercheurs du CNRS et du CEA, au sein du réseau RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (1)) vient de mettre au point une technologie offrant une alternative aux batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On distingue la technologie Lithium métal où l'électrode négative est...) dans certains secteurs. Ces chercheurs ont développé la première batterie utilisant des ions sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne...) au format "18650", un format industriel standard. Son principal avantage est d'utiliser un élément beaucoup plus abondant et moins coûteux que le lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.). Dotée de performances comparables aux batteries lithium-ion, cette nouvelle technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) intéresse déjà les industriels. Elle pourrait à l'avenir permettre le stockage d'énergies renouvelables.


Assemblage de cellule pour le test de matériaux de batteries sodium-ion (Na-ion), dans une boîte à gants. Ces matériaux sont testés face à des électrodes de référence en sodium.
© Cyril FRESILLON/CSE/CNRS Photothèque


Batterie sodium-ion (Na-ion) au format industriel standard "18650", posée sur un tas de sel (NaCl).
© Vincent GUILLY/CEA

L'idée d'employer du sodium dans les batteries remonte aux années 80. Elle avait été écartée au profit du lithium très rapidement utilisé dans les batteries équipant aujourd'hui les appareils électroniques portatifs comme les tablettes et les ordinateurs portables, mais aussi les véhicules électriques. Seul problème: le lithium est peu abondant sur notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...). Des équipes du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on...) RS2E porté par le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) se sont donc tournées vers le sodium, mille fois plus abondant. S'inspirant des batteries lithium-ion, elles ont conçu des batteries sodium-ion dans lesquelles des ions sodium transitent d'une électrode à l'autre dans un milieu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), au fil des cycles de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement...) et de décharge.

La première étape a consisté à trouver la "recette" idéale de l'électrode positive (cathode) de cette batterie. Elle a principalement impliqué six laboratoires du réseau RS2E (voir liste ci-dessous), tous réunis autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du même objectif: identifier la composition adéquate de cette électrode principalement constituée de sodium. La mise au point (Graphie) d'un prototype a été confiée au CEA, membre du RS2E. Seulement six mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) ont été nécessaires pour mettre au point le premier prototype de batteries sodium-ion au format "18650", celui des batteries lithium-ion actuellement commercialisées, un cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant...) de 1,8 cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) sur 6,5 cm de hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.). Cela devrait permettre un transfert facilité au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) des usines de fabrication actuelles. Plusieurs laboratoires internationaux travaillent également sur cette technologie mais aucun n'a aujourd'hui annoncé la réalisation de prototype de ce format.


Branchement d'une cellule pour la recherche fondamentale sur les matériaux de batteries sodium-ion (Na-ion). Elle pourra ainsi subir des tests électrochimiques (cyclage, voltampérométrie cyclique,...) pour évaluer ses performances.
© Cyril FRESILLON/CSE/CNRS Photothèque


Batteries sodium-ion (Na-ion) au format industriel standard "18650".
© Vincent GUILLY/CEA

Cette deuxième étape a permis de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'une échelle "laboratoire" (synthèse de plusieurs grammes du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement....) la cathode) à une échelle "pré-industrielle" (synthèse d'un kilogramme). Elle a rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant...) possible la fabrication de cellules produisant une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) inégalée pour ce type de batteries. Cette nouvelle technologie obtient des performances encourageantes. Sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection...) d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) que l'on peut stocker par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse du Système international d'unités (SI).) de batterie) atteint 90Wh/kg, un chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) comparable à celui des batteries lithium-ion à leur début. Quant à sa durée de vie (La vie est le nom donné :), exprimée en nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) maximum de cycles de charge et de décharge sans perte significative de performance, elle est de plus de 2 000 cycles. Surtout, cette batterie est capable à la fois de se charger très rapidement et de restituer son énergie très vite. Son principal atout reste qu'elle s'affranchit du lithium, un élément dont les ressources sont très localisées sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et...), contrairement au sodium. L'autre avantage est financier: compte tenu de son abondance, utiliser du sodium pourrait permettre de produire des batteries moins coûteuses.

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) de ces travaux a fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) de plusieurs publications et brevets déposés par le CNRS et le CEA. Il a bénéficié des soutiens notamment du ministère de l'Education nationale, de l'Enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à développer les connaissances d'un élève par le biais de communication verbale et...) supérieur et de la Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...), du CNRS, du CEA, de l'ANR (Agence nationale de la recherche) et de la DGA (Direction générale de l'armement).

Compte tenu de la similitude des process industriels avec les batteries lithium, cette découverte intéresse d'ores (ORES, l'Opérateur des Réseaux Gaz & Électricité est le l'opérateur des réseaux de distribution d'électricité et de gaz pour...) et déjà les industriels, notamment ceux appartenant au réseau RS2E. La prochaine étape est d'optimiser et de fiabiliser les procédés en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'un futur déploiement industriel.

Huit laboratoires et entités impliqués

? Six laboratoires du réseau RS2E
- Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) condensée de Bordeaux (CNRS)
- Laboratoire réactivité et chimie des solides (CNRS/Université de Picardie Jules Verne)
- Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation...) des matériaux (CNRS/Université de Toulouse III - Paul Sabatier/INP Toulouse)
- Laboratoire "Chimie du solide et de l'énergie" (CNRS/UPMC/Collège de France)
- Institut Charles Gerhardt Montpellier (CNRS/Université de Montpellier/ENSC Montpellier)
- Institut de sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute Alsace)
? Rosa (Rosa peut désigner :) Palacin, chercheuse à l'ICMAB (Institut des sciences des matériaux de Barcelone) a contribué, aux côtés de ces six laboratoires, à l'élaboration du milieu liquide (électrolyte) de la batterie.
? Liten, institut de CEA Tech

Notes:

(1) Lancé en 2011 à l'initiative du CNRS et du ministère de l'Education nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche, ce réseau est co-dirigé par Jean-Marie Tarascon, aujourd'hui professeur au Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin de Paris (Ve arrondissement), est un grand établissement d'enseignement et de...), et Patrice Simon, professeur à l'université de Toulouse (Cette page est consacrée au PRES Université de Toulouse. Pour les pages sur les universités voir Université Toulouse I, Université Toulouse II-Le Mirail, Université Toulouse III; pour...) III - Paul Sabatier.


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Source: CNRS
 
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